Als Grenzfläche oder Phasengrenze bezeichnet man die Fläche zwischen zwei Phasen, wie z. B. die Fläche zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten wie Öl und Wasser. Im engeren Sinn werden die Flächen zwischen flüssigen und festen, flüssigen und flüssigen, sowie festen und festen Phasen Grenzflächen genannt, während die Fläche zwischen einer festen und einer gasförmigen Phasen oft als Oberfläche bezeichnet wird. Die Unterscheidung zwischen Grenz- und Oberflächen ist historisch bedingt und etwas willkürlich.
Mit den Eigenschaften von Grenzflächen im weiteren Sinne beschäftigen sich die Oberflächenchemie und Oberflächenphysik.
Grenz– und Oberfläche
Eine Oberfläche lässt sich weniger klar definieren, als man annehmen könnte. Die geometrische Definition als Gesamtheit der Flächen, die einen Körper von außen begrenzen wird ab dem mikroskopischen Bereich problematisch. Die „Oberflächenatome“ sind keine scharf begrenzten Kugeln und zwischen ihnen können Lücken vorliegen, die um vieles größer sein können, als die Atome selbst. Der Grösse einer „Grenz- oder Oberfläche“ ist skalenabhängig, also vom verwendeten Beobachtungsmasstab abhängig.
Daher ist auch eine Unterscheidung von äusserer und innerer Oberfläche bei allen porösen Materialien gegeben: Diese bilden „von aussen“ betrachtet einen kompakten Körper, sind aber von zahlreichen Hohlräumen erfüllt. Für zahlreiche physikalische und chemische Vorgänge sind diese innenliegenden Oberflächen aber genauso relevant wie die äussere Oberfläche. Dabei übersteigt die innere Oberfläche die äussere oft um viele Größenordnungen. Typische Beispiele sind:
- die Messgröße für Pulver, Haufwerke und ähnliches, die Spezifische Oberfläche als gesamtvolumens- oder massenbezogene Oberfläche
Grundlagen
Innerhalb einer Phase wechselwirken Atome bzw. Moleküle in alle Raumrichtungen mit Atomen bzw. Molekülen in ihrer Nachbarschaft. Hier wirken in alle Richtungen gleiche Wechselwirkungskräfte (Kohäsionen). In der Nähe der Grenzfläche ist dies nicht der Fall. An der Grenzfläche stehen in Richtung der Nachbarphase unter Umständen keine oder nur ganz andere Nachbarn für eine Wechselwirkung zur Verfügung. Für Atome bzw. Moleküle ist es in der Regel energetisch ungünstig, sich in der Nähe der Grenzfläche aufzuhalten. Daraus resultiert eine Grenzflächenspannung, im Fall flüssig-gasförmig die Oberflächenspannung.
- Grenzflächenaktive Substanzen wie die Tenside (Emulgatoren) verringern die Grenzflächenspannung und können die Durchmischung zweier Phasen zu einer Emulsion oder Dispersion fördern.
- An Grenzflächen zwischen festen und gasförmigen Phasen kommt es in der Regel zu einer Adsorption von Stoffen aus der Gasphase. Dieses Phänomen wird in vielen technischen Prozessen genutzt und spielt eine Rolle bei der heterogenen Katalyse.
- An der Phasengrenze zwischen einem Elektronenleiter (Feststoff) und einem Elektrolyten (Flüssigkeit) bildet sich eine elektrochemische Doppelschicht aus. Diese Doppelschicht ist ein wichtiges Phänomen der Elektrochemie.
Phasengrenze im Phasendiagramm
Die Phasengrenze wird im Phasendiagramm eines Stoffes durch die Phasengrenzlinie in Abhängigkeit von Temperatur und kinetischem Druck dargestellt. Dieses Verhalten ist eine für den Stoff typische Eigenschaft.
Grenzfläche in der Tontechnik
Siehe den Druckstau beim Grenzflächenmikrofon.